Теплові процеси в шкірі людини при опроміненні світлодіодами

Анотація

Фундаментальні дослідження вже давно показали перспективність і високу результативність використання випромінювання видимого діапазону спектра на біологічні об’єкти. Одним із чинників впливу від джерела випромінювання є тепло. Ми в цій статті оглядово розглянемо теплові процеси в шкірі людини при опроміненні та проаналізуємо вплив швидкості кровотоку в системі кровообігу на нагрів ділянки шкіри і підшкірних шарів, що опромінюються. Як джерело випромінювання розглядається світлодіод.

Математична модель. У літературі, присвяченій проблемі впливу електромагнітного випромінювання можна зустріти опис різних моделей будови шкіри людини (семишарова і тришарова).

У наших дослідженнях використовувалась тришарова модель, згідно з якою в шкірі виділяються три частини. Верхня частина - епідерміс - являє собою багатошаровий епітелій, зовнішній шар якого - роговий. Товщина епідермісу - від 0,02 мм до 2,4 мм в різних частинах тіла. Нижній шар епідермісу лежить на базальній мембрані. У ній знаходяться клітини-меланоцити, що захищають шкіру від шкідливого впливу сонячних променів. Внутрішня шкіра - дерма - має товщину від 0,5 мм до 5 мм. У ній розташовуються кровоносні судини.

Була вирішена теплова задача про нагрів напівнескінченного тіла випромінюванням світлодіодів, що проникає в тіло на деяку глибину. Враховується, що всередині тіла знаходяться кровоносні суди- ни. Відведення тепла, викликаного поглинанням випромінювання, визначається швидкістю кровото- ку. Незважаючи на простоту цієї моделі, з її допомогою отримані дані, що дозволили сформулювати деякі рекомендації, які стосуються режиму опромінення тканини світлодіодами.

Важливу роль відіграє глибина проникнення випромінювання в біотканини. Вона збільшується зі збільшенням довжини хвилі випромінювання. Так, глибина проникнення випромінювання від ультрафіолетової до помаранчевої частини оптичного спектра поступово збільшується  від 1-20 мкм до 2,5 мм, з різким збільшенням глибини проникнення в червоній частині (до 20-30 мм) . Короткохвильове інфрачервоне випромінювання з довжинами хвиль від 0,76 до 1,5 мкм відносно поглинається біологічними тканинами, і тому проникає в них глибоко (до 3-7 см).

В експериментах використовувалися червоні світлодіоди. Товщина епідермісу прийнята рівною 0,6 мм, коефіцієнт поглинання червоного світла в ньому дорівнює 3,5 мм-1. Частка енергії, що поглинається в цьому шарі, мала, тому наявність шару можна не враховувати, а вважати тканину однорідним тілом.

Розрахунки. При розрахунках були використані наступні дані про теплофізичних параметрах шкіри: k = 0,5 Вт / (м град), с = 3500 Дж / (кг град), ρ = 1100 кг/м3, ρ = 1060 кг/м3.

Щільність кровотоку в судинах дерми f дорівнює 15 мл/(хв·100 г). В одиницях СІ  f = 2,5×10-6 м3/(кг·с).

Джерело випромінювання – світлодіод з апертурою діаметром 5 мм.   Потужність випромінювання – 10 мВт, максимум випромінювання - на довжині хвилі 630 нм. Інтенсивність випромінювання I виходить рівною 500 Вт/м2. Глибина проникнення випромінювання червоної ділянки оптичного діапазону спектра δ=10 мм.

Висновки. При опроміненні шкіри людини світлодіодами її нагрівання сильно залежить від швидкості кровотоку в тканинах, які опромінюють. Навіть при невеликій потужності (10 мВт) нагрів може досягати 50 оС, якщо кровообіг утруднений (наприклад, при контактному опроміненні з компресією). При такому нагріванні може спостерігатися почервоніння шкіри і навіть опік.